CC BY
63
УДК 669.017:539.4
СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ И МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ НАНОСТРУКТУРНОГО СПЛАВА ВТ6
Г.А. Салищев, Е.А. Кудрявцев, С.В. Жеребцов
Белгородский государственный университет, Лаборатория Объемных наноструктурных материалов, ул. Победы 85, Белгород, 308015, Россия, e-mail: salishchevObsu.edu.ru
Аннотация. Изотермической мультиосевой деформацией в двухфазном титановом сплаве ВТ6 был получен средний размер зерна 135 нм, что позволило наблюдать низкотемпературную сверхпластичность при температуре 550°C. Максимальное удлинение составило 1000%, а коэффициент скоростной чувствительности m=0,47 при оптимальной скорости деформации 2x10-4c-1. Показано, что эволюция микроструктуры при низкотемпературной деформации играет ключевую роль в процессе сверхпластического течения.
Ключевые слова: низкотемпературная сверхпластичность, изотермическая всесторонняя ковка, ультрамелкозернистая структура, микроструктурная эволюция.
Перевод двухфазных титановых сплавов в наноструктурное состояние позволяет снизить температуру сверхпластической деформации на несколько сот градусов ниже наблюдаемой в сплавах с обычной микроструктурой [1]. Например, в ВТ6 с размером зерна 300 нм сверхпластическое течение наблюдалось при 600° C, причем удлинение составило 500%, коэффициент m=0,37 [2], а работе [3] в том же сплаве с таким же размером зерна было получено удлинение 296% и m = 0,34 при той же температуре. Снижение удлинения с понижением температуры деформации ожидаемо из-за торможения диффузии и ускоренного роста зерен, вследствие уменьшения объемной доли в-фазы. Однако, увеличение протяженности границ с уменьшением размера зерна, отличающихся от тела большой диффузионной проницаемостью должно компенсировать эти потери. Исходя из этого, целью настоящей работы является изучение структурных изменений и механического поведения титанового сплава ВТ6 со средним размером зерна 135 нм при сверхпластической деформации при экстремально низкой температуре 550°C.
Двухфазный титановый сплав ВТ6 был поставлен в виде горячекатаного прутка (температура полиморфного превращения 990°C). Образцы для исследований были получены изотермической мультиосевой деформацией с последующей прокаткой. Испытания на растяжение проводились на универсальной испытательной машине Instron в температурном интервале 450-600°С со скоростью перемещения траверсы 0,5-100 мм/мин. Коэффициент скоростной чувствительности m был рассчитан из наклона кривой loga - loge и испытаний с изменением скорости деформации [1]. Структура сплава была исследована с помощью рентгеновского дифрактометра ДРОН-3, просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100 и растрового электронного микроскопа Quanta 600.
В наноструктурном состоянии микроструктура сплава представляла собой глобулярные а и в зерна со средним размером зерна 135 нм. Предварительные исследования показали, что рост зерен при нагреве происходит уже при Т=550°С. С увеличением времени отжига зерна
заметно укрупняются и после 5 часов отжига этот процесс протекает медленнее (Рис. 1б). Объемная доля в-фазы в сплаве составляла 10% и не сильно изменялась в ходе отжига.
а)
Рис. 1. Кинетика роста зерен в сплаве ВТ6 при отжиге и при деформации со скоростью и Т=550оС (а). ё - средний размер зерна за время деформации, ёо - средний размер зерна за аналогичное время отжига (б).
2х10-4 с-1
Исследование механических свойств сплава показало, что с повышением температуры деформации растет пластичность и снижается напряжение течения (Рис. 2а). При Т=550оС и 5х10-4с-1 удлинение достигает 640%. Изучение скоростной зависимости механических характеристик при Т=550оС позволило установить оптимальный режим сверхпластичности (Рис. 2б) При скорости деформации 2х10-4с-1 были получены максимальные значения удлинения 5 = 1000% и коэффициента т (0,47).
Температура, °С а)
Рис. 2. Изменение механических характеристик сплава ВТ6: (а) от температуры деформации при £=5х10-5с-1, (б) от скорости деформации при температуре 550оС.
Оценка кажущейся энергии активации сверхпластической деформации дала значение Q= 149 кДж/моль при п=2, которая близка величинам энергии активации 176 и 160 кДж/моль полученным, соответственно, в работах [3,4]. Она близка также энергии активации зерногра-ничной диффузии 189 кДж/моль для обычного сплава ВТ6 [5]. При Т=550оС было исследовано влияние скорости и степени деформации на микроструктуру сплава. С уменьшением
скорости деформации наблюдается существенное укрупнение зерен. При е = 100% средний размер зерна составил 290 нм при 5х10-4с-1, 490 нм при 2х10-4с-1 и 530 нм при 2х10-5с-1. График на рис. 1б представляет деформационно-индуцированный рост зерен при 2х10-4с-1 и Т=550°С. Видно, что деформация существенно ускоряет рост зерен в сплаве в сравнении с отжигом. Причем некоторые зерна а-фазы достигают к степени деформации 800% 1400 нм (Рис. 5а). При этом укрупнение зерен не выводит сплав из состояния сверхпластичности. Коэффициент скоростной чувствительности т равен 0.52, 0.62 и 0.65, соответственно, для степеней деформации 100, 200, и 500%. При этом в оптимальных условиях не обнаруживается порообразования в сплаве. Исследование эволюции кристаллографической текстуры в ходе отжига и сверхпластической деформации выявило существенные ее изменения (Рис. 3). Отжиг слабо влияет на текстуру. Однако, увеличение степени деформации от 100 до 500% при оптимальной скорости деформации 2х10-4с-1 ведет размытию полюсной фигуры (Рис. 3г). Отметим, что фактор Керна, расчитанный из полюсной плотности [6], снижается по сравнению с исходным состоянием с 0,55 до 0,42 при достижении деформации в 500% и скорости 2х10-4с-1. Такие структурные изменения могут быть связаны с развитием зернограничного проскальзывания.
ЩШ
а) б) в) г)
Рис. 3. Полюсные фигуры (0002) сплава ВТ6 в различных состояниях: (а) исходное состояние, (б) после отжига в течение 30 мин, (в) после деформации со скоростью 2х10-4с-1 на степень деформации 100% и (г) 500%.
Измельчение размера зерна до 135 нм делает возможным проявление сверхпластичности при экстремально низкой для сплава ВТ6 температуре - 550°С с высокими значениями коэффициента скоростной чувствительности и относительного удлинения. Известно [1,7], что сверхпластическое поведение двухфазных сплавов наиболее ярко наблюдается при отношении объемной доли а/в фаз близким к 1. Рассматриваются две причины [1]: зернограничное проскальзывание осуществляется легче по межфазным границам, а микроструктура более стабильная в этом состоянии. Между тем наноструктурный сплав ВТ6, в котором при Т=550°С доля в-фазы лишь 10% показывает сопоставимые значения относительного удлинения. При этом оценка энергии активации, сохранение равнооосности зерен, размытие текстуры однозначно свидетельствует в пользу главного механизма деформации зернограничного проскальзывания. Вероятно, такое необычное поведение связано с ускоренным ростом зерен в процессе сверхпластического течения (Рис. 1б), который снимает перенапряжения, возникающие при деформации. Косвенно, это подтверждает факт отсутствия пор в образцах после деформации.
Работа была поддержана грантом П№725 Министерства Науки и Образования Российской Федерации.
Литература
1. Kaibyshev O.A. Superplasticity of Alloys, Intermetallides and Ceramics / Berlin: SpringerVerlag, 1992.
2. Salishchev G.A. et al. Submicrocrystalline and nanocrystalline structure formation in materials and search for outstanding superplastic properties // Mater. Sci. Forum. - 1994. - 170-172. -P.121-130.
3. Ko Y.G. et al. Low-temperature superplasticity of ultra-fine-grained Ti-6AI-4V processed by equal-channel angular pressing // Metall. Mater. Trans. - 2006. - 37A. - P.381-391.
4. Sargent G.A. et al. Low-temperature coarsening and plastic flow behavior of an titanium billet material with an ultrafine microstructure // Metall. Mater. Trans. - 2008. - 39A. -P.2949-2964.
5. Sergueeva A.V. et al. Superplastic behaviour of ultrafine-grained Ti-6Al-4V alloys // Mater. Sci. Eng. - 2002. - A323. - P.318-325.
6. Wasserman G., Greven I. Texturen metallischer Werkstoffe / Berlin: Springer-Verlag, 1962.
7. Donachie M.J., Jr. Titamium: a Technical Guide /ASM International, USA, 2000.
STRUCTURAL CHANGES AND MECHANICAL BEHAVIOR DURING LOW-TEMPERATURE SUPERPLASTICITY OF NANOSTRUCTURED ALLOY TI-6AL-4V
G.A. Salishchev, E.A. Kudryavtsev, S.V. Zherebtsov
Belgorod State University, Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia, e-mail: salishchevObsu.edu.ru
Abstract. After isothermal multidirectional forging, the average grain size 135 nm in two-phase titanium alloy Ti-6-4 has been obtained. It has been the low-temperature superplasticity at 550°C in fine-grained state. At the optimum strain rate of 2x10-4s-1 elongation to failure was 1000% and the stain rate sensitivity value was m=0,47. The evolution of the microstructure during low-temperature deformation plays a key role in the process of superplastic flow.
Key words: low-temperature superplasticity, multidirectional forging, ultrafine grain structure, microstructure evolution.
